1、,7. 線粒體與過氧化物酶體,細(xì)胞的生存需要兩個基本的要素構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)的化學(xué)元件和能量。生物從食 物中獲取能量，根據(jù)對氧的需要情況分為兩種類型厭氧的，即不需要氧；好氧的， 即需要氧的參與。在真核生物中，需氧的能量轉(zhuǎn)化過程與線粒體有關(guān)，并且伴隨著 一系列的化學(xué)反應(yīng)；而在原核生物中，能量轉(zhuǎn)化與細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)。,線粒體(mitochondrion)是 1850 年發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞器,1898 年命名。是細(xì)胞內(nèi) 氧化磷酸化和形成 ATP 的主要場所(圖 7-1)。,過氧化物酶體是細(xì)胞內(nèi)另一個需要氧的細(xì)胞器,不過過氧化物酶體需要氧不是 用于 ATP 的合成而是用于有毒物質(zhì)的氧化,對線粒體具有氧調(diào)節(jié)作用。,圖

2、 7-1 線粒體結(jié)構(gòu)及功能示意圖,7.1 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu),線粒體是能夠在光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察的顯微結(jié)構(gòu)，它具有滲透性，在低滲溶液 中會膨脹，而在高滲溶液中能夠收縮。,7.1.1 線粒體的發(fā)現(xiàn)與功能研究,人們對線粒體的研究有一個多世紀(jì)的歷史。 1850 年,德國生物學(xué)家 Rudolph Klliker 第一個發(fā)現(xiàn)線粒體, 并推測這 種顆粒是由半透性的膜包被的。,1898 年對線粒體進(jìn)行命名。,1,1900 年，Leonor Michaelis 用染料 Janus green 對肝細(xì)胞進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)細(xì) 胞消耗氧之后，線粒體的顏色逐漸消失了，從而提示線粒體具有氧化還原反應(yīng)的作 用。,后又經(jīng)過幾十年的

3、研究, 逐步證明了線粒體具有 Krebs 循環(huán)、電子傳遞、氧化 磷酸化的作用,從而證明了線粒體是真核生物進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部位。,從線粒體的發(fā)現(xiàn)和功能鑒定的簡史, 你有何體會?,7.1.2 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu), 線粒體的形態(tài)和分布,大小:,線粒體的形狀多種多樣, 一般呈線狀(圖 7-2),也有粒狀或短線狀。,圖 7-2 電子顯微鏡觀察的蝙蝠胰腺細(xì)胞線粒體,數(shù)量:,在不同類型的細(xì)胞中線粒體的數(shù)目相差很大, 但在同一類型的細(xì)胞中數(shù)目相對,穩(wěn)定。有些細(xì)胞中只有一個線粒體,有些則有幾十、幾百、甚至幾千個線粒體。,分布,在多數(shù)細(xì)胞中,線粒體均勻分布在整個細(xì)胞質(zhì)中,但在某些些細(xì)胞中,線粒體的,分布是不均一的

4、。,線粒體較多分布在需要 ATP 的部位，如肌細(xì)胞和精細(xì)胞） 圖 7-3)，或較為集,中分布在有較多氧化反應(yīng)底物的區(qū)域,如脂肪滴(圖 7-4),因?yàn)橹镜沃杏性S多要被,2,氧化的脂肪。,圖 7-3 肌細(xì)胞和精子的尾部聚集較多的線粒體,以提供能量,圖 7-4 線粒體包圍著脂肪滴,內(nèi)有大量要被氧化的脂肪,3,存在方式,線粒體在細(xì)胞中并非都是單個存在的，有時可形成由幾個線粒體構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，有些線粒體具有分支,可以相互交錯在一起。如通過相差顯微鏡檢查完整的肝細(xì) 胞,發(fā)現(xiàn)線粒體并非是單個存在的,而是以交織的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)存在(圖7-5)。,圖 7-5 細(xì)胞中線粒體分支交織連接而成的網(wǎng)狀二維結(jié)構(gòu),7.2 線

5、粒體的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成,7.2.1 線粒體的結(jié)構(gòu),線粒體由內(nèi)、外兩層彼此平行和高度特化的膜包圍而成, 內(nèi)外膜都是典型的單 位膜。線粒體外膜(outer membrane)起界膜作用,線粒體內(nèi)膜(inner membrane)向內(nèi) 皺折形成嵴(cristae)，嵴上有一些顆粒朝向線粒體基質(zhì),這些顆粒稱為 F 顆粒(F,1,1,particle),似把手狀。線粒體的外膜和內(nèi)膜將線粒體分成兩個不同的區(qū)室:一個是膜 間 間 隙 (intermembrane space),是兩個膜之間的空隙;另一個是線粒體基質(zhì) (matrix),它是由內(nèi)膜包裹的空間(圖 7-6)。,圖 7-6 線粒體結(jié)構(gòu)模式圖,4,7.

6、2.2 線粒體膜通透性,很早就認(rèn)識到線粒體的膜具有半透性,通過對半透性的研究導(dǎo)致線粒體各組分 分離方法的建立。,線粒體通透性研究,將線粒體放在 100 mM 蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進(jìn)入線粒體的膜間間隙；然后 將線粒體取出測定線粒體內(nèi)部蔗糖的平均濃度,結(jié)果只有 50 mM, 比環(huán)境中蔗糖的濃 度低。據(jù)此推測:線粒體外膜對蔗糖是通透的,而內(nèi)膜對蔗糖是不通透的(圖7-7)。,圖 7-7 線粒體通透性測定,左:將線粒體置于含有 100 mM 的蔗糖溶液中; 中:蔗糖穿過線粒體外膜，達(dá)到平衡;右:將線粒 體從蔗糖溶液中取出,測定線粒體中蔗糖的濃度。如果測得線粒體的蔗糖平均濃度是 50 mM,就可 以推

7、測:100mM的蔗糖僅僅穿過了線粒體外膜,而線粒體中有一半流動的液體在線粒體基質(zhì),由于內(nèi) 膜對蔗糖不通透,所以測得的線粒體平均濃度只有50 mM。,5,線粒體各組分的分離,由于線粒體外膜的通透性比內(nèi)膜高,利用這一性質(zhì),Donal Parsons 和他的同事 最先建立了分離線粒體內(nèi)膜、外膜及其他組分的方法(圖7-8)，,圖 7-8 線粒體組分的分離,首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂,此時線粒體內(nèi)膜和基質(zhì)(線粒體質(zhì))仍結(jié)合在一起, 通過離心可將線粒體質(zhì)分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質(zhì),破壞線粒體內(nèi)膜,釋放線粒體基,質(zhì),破裂的內(nèi)膜重新閉合形成小泡,其表面有F 顆粒。,1,請根據(jù)線粒體外膜比內(nèi)

8、膜通透性高這一行特性,設(shè)計分離線粒體各組份的方法,7.2.3 線粒體各部分的化學(xué)組成和特性, 線粒體的化學(xué)組成,經(jīng)過對線粒體各結(jié)構(gòu)組分的生化分析, 線粒體的化學(xué)組分主要是由蛋白質(zhì)、脂 類、水份等組成。,蛋白質(zhì) 占線粒體干重的 6570%。線粒體的蛋白質(zhì)分為可溶性和不溶性的。 可溶性的蛋白質(zhì)主要是基質(zhì)的酶和膜的外周蛋白，不溶性的蛋白質(zhì)構(gòu)成膜的本體， 其中一部分是鑲嵌蛋白,也有一些是酶蛋白。,脂類 線粒體的脂類只占干重的 2030%。在線粒體的脂類中多數(shù)是磷脂, 占,6,總脂的 3/4 以上。含豐富的心磷脂和較少的膽固醇是線粒體在組成上與細(xì)胞其他膜 結(jié)構(gòu)的明顯差別。,線粒體內(nèi)、外膜在化學(xué)組成上的主

9、要區(qū)別是脂類和蛋白質(zhì)的比例不同, 內(nèi)膜上 的脂類與蛋白質(zhì)的比值低(0.3:1), 外膜中的比值較高(接近 1:1)。, 線粒體各部分的特性和功能, 蛋白分布:,線粒體由四個部分組成，在能量轉(zhuǎn)換過程中分別起不同的作用。各部分功能的 差異主要是化學(xué)組成的差異，特別是蛋白和酶分布的差異(表7-1)。,表 7-1 線粒體各部分蛋白的分布,外膜,膜間隙,內(nèi)膜,基質(zhì),細(xì)胞色素 b5 NADH-細(xì)胞色素 還原酶,腺苷酸激酶 核苷,NADH 脫氫酶 琥珀酸脫氫酶 細(xì)胞色素氧化酶 細(xì)胞色素 C ATP 合酶,丙酮酸脫氫酶 脂肪酸氧化酶 Krebs 循環(huán)酶系 DNA 聚合酶 RNA 聚合酶 核糖體,單胺氧化酶 脂

10、酰輔酶 A 合酶,二磷酸激酶 單磷酸激酶,(F F 復(fù)合物),0,1,磷酸甘油酰基轉(zhuǎn)移酶 核苷二磷酸激酶 孔蛋白,運(yùn)輸?shù)鞍?轉(zhuǎn)移 RNAs,膜脂含量,膜脂含量 磷脂/蛋白=0.3 心磷脂/磷脂=0.22 醌,磷脂/蛋白=0.9 心磷脂/磷脂=0.03,功能,由于線粒體各部分結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成和性質(zhì)的不同,它們的功能各異(表7-2)。,表 7-2 線粒體各部分的功能,部位,功能,外膜 內(nèi)膜 膜間隙 基質(zhì),磷脂的合成;脂肪酸鏈去飽和;脂肪酸鏈延伸 電子傳遞,氧化磷酸化,代謝物質(zhì)運(yùn)輸 核苷的磷酸化,丙酮酸氧化,TCA 循環(huán),脂肪的氧化,DNA 復(fù)制, RNA 合成,蛋白質(zhì)合成,7, 標(biāo)志酶,通過細(xì)胞化學(xué)

11、分析, 線粒體各部位有特征性的酶, 稱為標(biāo)志酶: 外膜: 單胺氧化酶,內(nèi)膜: 細(xì)胞色素氧化酶,膜間隙: 腺苷酸激酶,基質(zhì): 蘋果酸脫氫酶,外膜 線粒體外膜是最外的一層全封閉的單位膜結(jié)構(gòu)，是線粒體的界膜，厚 6 7nm,平整光滑。外膜含有孔蛋白,所以外膜的通透性非常高,使得膜間隙中的環(huán)境幾 乎與胞質(zhì)溶膠相似。外膜含有一些特殊的酶類，如單胺氧化酶(monoamine oxidase), 這種酶能夠終止胺神經(jīng)遞質(zhì),如降腎上腺素和多巴胺的作用。,線粒體外膜的通透性差,又沒有電子傳遞裝置, 所以沒有什么作用, 此說正確碼?, 內(nèi)膜 位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜結(jié)構(gòu), 厚 56nm。內(nèi)膜的 通

12、透性較低，一般不允許離子和大多數(shù)帶電的小分子通過。,線粒體內(nèi)膜通常要向基質(zhì)折褶形成嵴(cristae), 其上有 ATP 合 酶 (ATP synthase),又叫 F F ATP 酶復(fù)合體, 是一個多組分的復(fù)合物。,0,1,內(nèi)膜的酶類可以粗略地分為三類運(yùn)輸酶類、合成酶類、電子傳遞和 ATP 合成 酶類。,內(nèi)膜是線粒體進(jìn)行電子傳遞和氧化磷酸化的主要部位。在電子傳遞和氧化磷酸 化過程中，線粒體將氧化過程中釋放出來的能量轉(zhuǎn)變成ATP。, 膜間隙 線粒體內(nèi)膜和外膜之間的間隙稱為膜間隙, 寬 68 nm,由于外膜通透 性很強(qiáng)，而內(nèi)膜的通透性又很低，所以膜間隙中的化學(xué)成分很多，幾乎接近胞質(zhì)溶 膠。功能是

13、建立和維持氫質(zhì)子梯度。, 線粒體基質(zhì) 內(nèi)膜和嵴包圍著的線粒體內(nèi)部空間是線粒體基質(zhì)，與三羧酸循 環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有關(guān)的酶都存在于基質(zhì)之中；此外還含有 DNA、tRNAs、 rRNA、以及線粒體基因表達(dá)的各種酶和核糖體。,比較線粒體外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)的化學(xué)特性和功能的主要差別,7.2.3 線粒體內(nèi)膜的主動運(yùn)輸系統(tǒng),由于線粒體對于大多數(shù)親水物質(zhì)的透性極低，所以它必須具備特殊的主動運(yùn)輸 系統(tǒng)，完成下列運(yùn)輸作用:,糖酵解產(chǎn)生的 NADH 必須進(jìn)入電子傳遞鏈參與有氧氧化； 線粒體產(chǎn)生的代謝物質(zhì)如草酰輔酶 A 和乙酰輔酶 A 必須運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中，它 們分別是細(xì)胞質(zhì)中葡萄糖和脂肪酸的前體物質(zhì)

14、;,線粒體產(chǎn)生的 ATP 必須進(jìn)入到胞質(zhì)溶膠，以便供給細(xì)胞反應(yīng)所需的能量，同,8,時，ATP 水解形成的 ADP 和 Pi 又要被運(yùn)入線粒體作為氧化磷酸化的底物。,丙酮酸、脂肪酸、Pi 等的運(yùn)輸,在線粒體內(nèi)膜上具有完善的運(yùn)輸系統(tǒng),主要是運(yùn)輸?shù)鞍缀鸵恍┢鸫龠M(jìn)運(yùn)輸作用 的脂類(如心磷脂)。運(yùn)輸系統(tǒng)也包括參與電子傳遞和氫質(zhì)子傳遞的復(fù)合物,內(nèi)膜上有 運(yùn)輸丙酮酸、脂肪酸和特殊氨基酸的運(yùn)輸?shù)鞍?其中某些運(yùn)輸?shù)鞍?包括同向和逆向) 的運(yùn)輸作用是靠質(zhì)子梯度驅(qū)動的(圖 7-9)。,圖 7-9 線粒體內(nèi)膜中的運(yùn)輸系統(tǒng),線粒體內(nèi)膜的通透性極低, 它是如何進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)?, 線粒體對細(xì)胞內(nèi) Ca2+的調(diào)節(jié),線粒體、內(nèi)

15、質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞外基質(zhì)都是 Ca2+的儲藏地，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、肌質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞質(zhì) 膜上都有 Ca2+泵的存在。線粒體內(nèi)膜上有兩種類型的 Ca2+運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠?qū)?Ca2+輸入 到線粒體基質(zhì)中，或?qū)?Ca2+從線粒體基質(zhì)運(yùn)輸?shù)侥らg隙(圖 7-10)。,9,圖 7-10 線粒體的兩種 Ca2+離子運(yùn)輸系統(tǒng) 系統(tǒng) 1 是由膜動力勢引起的 Ca2+離子流向線粒體基質(zhì);系統(tǒng) 2 是通過與 Na 離子輸出到胞質(zhì)溶膠。,+,離子的交換將 Ca2+,線粒體內(nèi)膜是如何進(jìn)行 Ca2+運(yùn)輸?shù)?對細(xì)胞質(zhì)中 Ca2+濃度調(diào)節(jié)有何意義?,7.3 導(dǎo)向信號與線粒體蛋白定位,線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核基因編碼,在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成

16、后 運(yùn)輸?shù)骄€粒體的(表 7-3)。,表 7-3 細(xì)胞質(zhì)中合成的某些線粒體蛋白質(zhì),線粒體定位 線粒體基質(zhì),蛋白質(zhì),FATPase:亞基(植物除外)、,亞基、亞基(某些真菌) 1,RNA 聚合酶、DNA 聚合酶、核糖體蛋白、檸檬酸合成酶、TCA 酶 系、乙醇脫氫酶(酵母)、鳥氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(哺乳動物),內(nèi)膜,ADP-ATP 逆向運(yùn)輸?shù)鞍?、磷?OH 逆向運(yùn)輸?shù)鞍?、?xì)胞色素 c 氧,-,化酶亞基 4,5,6,7、F ATPase 的蛋白質(zhì)、CoQH -細(xì)胞色素 c 2,0,還原酶復(fù)合物亞基 1,2,5(Fe-S),6,7,8,膜間隙 外膜,細(xì)胞色素 c、細(xì)胞色素 c 過氧化物酶、細(xì)胞色素 b 、Co

17、QH -細(xì)胞 2 2,色素 c 還原酶復(fù)合物亞基 4(細(xì)胞色素 c ) 1,線粒體孔蛋白,10,7.3.1 蛋白質(zhì)尋靶(protein targeting)和蛋白質(zhì)分選(protein sorting),蛋白質(zhì)的兩種轉(zhuǎn)運(yùn)方式,細(xì)胞質(zhì)中的核糖體在合成蛋白質(zhì)時有兩種可能的存在狀態(tài)，一種是在蛋白質(zhì)合 成的全過程一直保持游離狀態(tài)（實(shí)際上是與細(xì)胞骨架結(jié)合在一起的），這種核糖體稱 為游離核糖體(free ribosomes)；另一種情況是核糖體在合成蛋白質(zhì)的初始階段處 于自由狀態(tài)，但是隨著肽鏈的合成，核糖體被引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合在一起, 這種核糖體稱為膜結(jié)合核糖體(membrane-bound ri

18、bosomes)。這兩種核糖體上合成 的蛋白質(zhì)不僅在細(xì)胞內(nèi)的去向不同,它們的轉(zhuǎn)運(yùn)方式也是不同的。,翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)(post-translational translocation)與蛋白質(zhì)尋靶 游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)釋放到胞質(zhì)溶膠后被運(yùn)送到不同的部位, 即先合成, 后運(yùn)輸。由于在游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)在合成釋放之后需要自己尋找目的地, 因此又稱為蛋白質(zhì)尋靶(7-11)。,圖 7-11 蛋白質(zhì)翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn),定位在線粒體、葉綠體、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、過氧化物酶體的蛋白質(zhì)在游離核糖體上合成后釋 11,放到胞質(zhì)溶膠中,進(jìn)入細(xì)胞核的蛋白質(zhì)通過核孔運(yùn)輸,與定位到其他翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)的細(xì)胞器蛋白的運(yùn) 輸機(jī)制不同。,共翻

19、譯轉(zhuǎn)運(yùn)(co-translational translocation)與蛋白質(zhì)分選 膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)通過定位信號,一邊翻譯,一邊進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng),由于 這種轉(zhuǎn)運(yùn)定位是在蛋白質(zhì)翻譯的同時進(jìn)行的,故稱為共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)(圖 7-12)。在膜結(jié) 合核糖體上合成的蛋白質(zhì)通過信號肽,經(jīng)過連續(xù)的膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)分選才能到達(dá)最終的 目的地,這一過程又稱為蛋白質(zhì)分選。,圖 7-12 蛋白質(zhì)的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn) 膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn),運(yùn)輸?shù)哪康牡匕▋?nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基 體、溶酶體、細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞外基質(zhì)等。,12,導(dǎo)向序列(targeting sequence)與信號序列(signal sequence

20、) 導(dǎo)向序列,將游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)的 N-端信號稱為導(dǎo)向信號(targeting signal), 或?qū)蛐蛄?targeting sequence),由于這一段序列是氨基酸組成的肽,所以又稱為 轉(zhuǎn)運(yùn)肽(transit peptide),或?qū)щ?leading peptide)。導(dǎo)向序列又稱引導(dǎo)序列。 信號序列,將膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)的 N-端的序列稱為信號序列(signal sequence),將組成該序列的肽稱為信號肽（signal peptide)。 在不需要特別區(qū)分時,可將它們統(tǒng)稱為信號序列或信號肽。,比較導(dǎo)向序列與信號序列有什么不同,7.3.2 線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn),構(gòu)成線粒體

21、的蛋白主要是核基因編碼的,少量是線粒體基因編碼的,無論是核基 因還是線粒體基因編碼的蛋白質(zhì)都要轉(zhuǎn)運(yùn)定位。線粒體有四個組成部分,其中有兩層 膜,所以由細(xì)胞質(zhì)核糖體合成的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì)必須穿過兩層膜障礙(圖 7-13)。,圖 7-13 線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的部位,線粒體基質(zhì)蛋白(mitochondrial matrix protein)轉(zhuǎn)運(yùn) 線粒體基質(zhì)蛋白,除極少數(shù)外,都是游離核糖體合成,并通過轉(zhuǎn)運(yùn)肽轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)來的, 轉(zhuǎn)運(yùn)過程十分復(fù)雜(圖 7-14)。,13,圖 7-14 蛋白質(zhì)輸入線粒體基質(zhì),線粒體基質(zhì)蛋白是如何定位的?,從線粒體基質(zhì)蛋白的定位,可看出導(dǎo)肽在轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白時具有哪些特點(diǎn)?, 線粒體膜間隙

22、蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn),線粒體膜間隙蛋白,如細(xì)胞色素 c 的定位需要兩個導(dǎo)向序列，位于 N 端最前面的 為基質(zhì)導(dǎo)向序列(matrix-targeting sequence)，其后還有第二個導(dǎo)向序列,即膜間 隙導(dǎo)向序列(intermembrane-space-targeting sequence)，功能是將蛋白質(zhì)定位于 內(nèi)膜或膜間隙,這類蛋白有兩種轉(zhuǎn)運(yùn)定位方式。,保守性尋靶(conservative targeting) 前體蛋白在 N-端的基質(zhì)導(dǎo)向序列引導(dǎo) 下采用與線粒體基質(zhì)蛋白同樣的運(yùn)輸方式,將前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì),在基質(zhì)中 由轉(zhuǎn)肽酶切除基質(zhì)導(dǎo)向序列后, 膜間隙導(dǎo)向序列就成了 N 端的導(dǎo)向序列, 它

23、能夠識 別內(nèi)膜的受體和轉(zhuǎn)運(yùn)通道蛋白,引導(dǎo)蛋白質(zhì)穿過內(nèi)膜,進(jìn)入線粒體膜間隙,然后由線 粒體膜間隙中的轉(zhuǎn)肽酶將膜間隙導(dǎo)向序列切除(圖7-15)。,14,圖 7-15 線粒體內(nèi)膜蛋白的保守性尋靶,詳見正文,非保守性尋靶(nonconservative targeting),與保守性尋靶不同,蛋白質(zhì)的非保守性尋靶首先在線粒體基質(zhì)導(dǎo)向序列的引導(dǎo) 下,通過線粒體的外膜和內(nèi)膜,但是疏水的膜間隙導(dǎo)向序列作為停止轉(zhuǎn)運(yùn)序列 (stop-transfer sequence) 錨定在內(nèi)膜上,從而阻止了蛋白質(zhì)的 C-末端穿過內(nèi)膜進(jìn) 入線粒體基質(zhì)；然后通過蛋白質(zhì)的擴(kuò)散作用,錨定在內(nèi)膜上的蛋白逐漸離開轉(zhuǎn)運(yùn)通道, 最后在轉(zhuǎn)肽

24、酶的作用下,將膜間隙導(dǎo)向序列切除,蛋白質(zhì)釋放到膜間隙,結(jié)合血紅素 后,蛋白質(zhì)折疊成正確的構(gòu)型(圖 7-16)。,15,圖 7-16 線粒體膜間隙蛋白的非保守性尋靶 線粒體內(nèi)膜和外膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn),圖 7-17 顯示線粒體內(nèi)膜蛋白的 N-端只有一個基質(zhì)導(dǎo)向序列,內(nèi)膜蛋白在基質(zhì)導(dǎo) 向序列的引導(dǎo)下,按基質(zhì)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)方式進(jìn)入線粒體基質(zhì)后,由轉(zhuǎn)肽酶切除導(dǎo)向序列, 然后通過構(gòu)型的變化或與別的蛋白結(jié)合形成復(fù)合物后再插入到內(nèi)膜中,詳細(xì)機(jī)理尚 不清楚。,圖 7-17 中的 P70 是線粒體外膜的一個重要的蛋白質(zhì), 通過體外實(shí)驗(yàn)獲得有關(guān)外 膜蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的一些線索。在 P70 的 N-端有一個短的基質(zhì)導(dǎo)向序列,緊隨其后是

25、一段 較長的、強(qiáng)疏水性氨基酸序列。實(shí)驗(yàn)中,如果將疏水性氨基酸序列缺失, P70 進(jìn)入線 粒體基質(zhì), 并且其基質(zhì)導(dǎo)向序列依然連接在一起。這一結(jié)果提示, 長的疏水性氨基 酸序列可作為停止轉(zhuǎn)運(yùn)信號, 既防止了外膜蛋白進(jìn)入線粒體基質(zhì), 又作為錨定序列 將外膜蛋白錨定在外膜上。正常情況下,外膜蛋白 N-端的基質(zhì)導(dǎo)向序列和長的疏水 性序列都不會被切除。,16,圖 7-17 線粒體內(nèi)膜、外膜的導(dǎo)向序列,7.3.3 線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的實(shí)驗(yàn)研究,上面所討論的線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)方式已得到許多實(shí)驗(yàn)的支持。, 線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的實(shí)驗(yàn)證明,通過脈沖示蹤研究發(fā)現(xiàn)酵母線粒體蛋白合成之后存在于胞質(zhì)溶膠中,后來逐漸 進(jìn)入線粒體各部位

26、, 通過無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)一步證明這一結(jié)果。,請?jiān)O(shè)計一個實(shí)驗(yàn)證明線粒體蛋白合成之后進(jìn)入了線粒體,17,轉(zhuǎn)運(yùn)中間體與導(dǎo)向序列的特異性研究,在線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)中一個很重要的中間過程是基質(zhì)導(dǎo)向序列穿過內(nèi)外膜,如果 能夠證明線粒體基質(zhì)蛋白正在穿過內(nèi)外膜通道形成的中間體的存在則是對上述轉(zhuǎn)運(yùn) 機(jī)制的最有力的證明。,另外,線粒體導(dǎo)向序列對所引導(dǎo)的蛋白質(zhì)是否具特異性也是人們所關(guān)心的問題。 科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)證明了中間體的存在,同時也證明了導(dǎo)肽沒有特異性。,請問科學(xué)家是怎樣證明線粒體基質(zhì)蛋白在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中穿膜中間體的存在,并證 明導(dǎo)向序列(導(dǎo)肽)沒有特異性?,7.4 線粒體的功能-氧化磷酸化作用,線粒體是真核生物氧化代謝的部

27、位,是糖、脂肪和氨基酸最終氧化放能的場所。 最終氧化的共同途徑是三羧酸循環(huán)和呼吸鏈的氧化磷酸化。,7.4.1 真核細(xì)胞中的氧化作用(oxidation),葡萄糖和脂肪酸是真核細(xì)胞能量的主要來源，細(xì)胞通過對葡萄糖的代謝獲取能 量。葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后先在細(xì)胞質(zhì)中通過酵解作用生成丙酮酸，如果有氧存在時， 丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)經(jīng)過三羧酸循環(huán)、電子傳遞和氧化磷酸化，最后生成 ATP 和 水。如果沒有氧，丙酮酸經(jīng)過發(fā)酵生成乳酸(圖7-18)。,圖 7-18 真核細(xì)胞中碳水化合物代謝俯瞰,18, 葡萄糖酵解生成丙酮酸,細(xì)胞質(zhì)中的葡萄糖(或糖原)在一系列酶的催化下生成丙酮酸的過程稱為糖酵解 (glycolysi

28、s)。反應(yīng)的主要過程包括葡萄糖在磷酸化酶的作用下形成 1，6 二磷 酸果糖,此過程需要消耗兩個 ATP；二磷酸 6-碳糖被裂解生成兩個 3-碳糖；三 碳糖被逐步轉(zhuǎn)變成丙酮酸(圖 7-19)。,圖 7-19 葡萄糖經(jīng)糖酵解生成丙酮酸的過程, 線粒體中乙酰CoA 的生成,丙酮酸生成乙酰CoA,細(xì)胞質(zhì)膜中由糖酵解生成的丙酮酸分子經(jīng)過線粒體外膜的孔蛋白進(jìn)入線粒體膜 間隙，然后在運(yùn)輸?shù)鞍椎淖饔孟麓┻^內(nèi)膜進(jìn)入線粒體基質(zhì)。在基質(zhì)中，丙酮酸被丙 酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase)氧化成乙酰輔酶A, 同時生成一分子NADH和一,分子CO 。,2,脂肪酸在線粒體基質(zhì)中通過氧化途徑(-oxidation pathway)循環(huán)氧化生成 乙酰輔酶A。,生物需要能量時首先利用多糖，必要時也會利用脂肪。脂肪被水解生成脂肪酸 后進(jìn)入線粒體。每兩個脂肪酸碳產(chǎn)生一分子乙酰輔酶A，同時產(chǎn)生一分子NADH、,一分子FADH (圖7-20)。,2,19,圖7-20 脂肪酸氧化,脂肪酸氧化的第一步是與輔酶A 的巰基(-SH)結(jié)合而被激活。這一反應(yīng)發(fā)生在脂肪酸的脂?；?團(tuán)在線粒體內(nèi)膜運(yùn)輸?shù)鞍讕椭麓┻^內(nèi)膜之后。在線粒體中,脂酰 CoA 經(jīng)過氧化循環(huán),每循環(huán)一,次,脫去兩個C,產(chǎn)生一分子乙酰CoA 進(jìn)入TCA 循環(huán),同時產(chǎn)生一分子NADH、一分子FADH 。,2,乙酰輔酶A 是線粒體